實驗材料、設備及方法

3-1 實驗架構

本研究選擇新竹第二淨水場及豐原第二淨水場作為代表性水 場，採取不同濁度原水，針對淨水場在最適加藥條件下，探討快混強 度對膠羽特性與後續混沉及過濾效率之影響，實驗架構如圖 3-1 所 示，主要分成兩大部分，在實驗室快混效能試驗中，首先將前往實場 採取低濁度及高濁度原水作為試驗水樣，並向場方索取場內實際添加 之混凝劑，水樣運送至實驗室即進行原水水質及混凝劑特性分析，隨 後藉由實驗室瓶杯試驗機模擬實場快混、慢混及沉澱單元操作條件進 行混凝試驗，評估不同混凝劑量對顆粒去穩定之影響並判定出最適混 凝劑量及其混凝機制。接著在最適加藥條件下，改變不同快混強度進 行快混效能試驗，同時分析不同快混條件下之膠羽特性，並在混沉結 束後量測上澄液殘餘濁度、殘餘DOC 及過濾性。

而在實場快混效能試驗中，研究期間將於實場架設可產生高速 G 值之管中快混模組並與現場快混單元進行平行試驗，同時以可即時觀 察膠羽生長之光纖膠羽偵測儀(PDA)連續偵測膠羽之生長情形，以及 分析混沉後上澄液特性，藉此比較淨水場快混單元與管柱快混設備，

兩者快混效能對混沉及過濾效能之影響，以及管柱高速G 值之成效。

上述各實驗流程、步驟及分析方法詳述如下。

圖3-1 實驗架構

3-2 對象淨水場基本資料及瓶杯混凝操作參數 顆粒物化特性，分析的項目包含以酸鹼度計(inoLab Multi Level 1, WTW)測量 pH 及水溫，以濁度計(2100 P, Hach Inc.)量測原水濁度，

原水經0.45 μm 濾膜(醋酸纖維薄膜，直徑為 47 mm, Advantec)過濾後 以總有機碳分析儀(TOC-5000A, Shimadzu)檢測溶解性有機物（DOC）

濃度，利用滴定法(NIEA W449.00B)測得鹼度，另外以導電度計 (inoLab Multi Level 1, WTW)量測導電度，顆粒表面界達電位及顆粒

平均粒徑則以動態雷射光奈米顆粒/界達電位儀(Zetasizer nano ZS, Malvern Inc., UK)測得。對象淨水場之原水水質資料如表 3-2 所示，

新竹第二淨水場分別在99 年 7 月 19 日與 7 月 27 日採取到濁度為 20 及150 NTU 之原水，另外，豐原第二淨水場則是分別在 99 年 6 月 12 日與7 月 6 日採取到濁度為 200 及 15 NTU 之原水。pH 值皆約為 8，

水樣運送至實驗室及進行後續實驗分析時，環境溫度皆維持在室溫 (25~27℃)，原水溶解性有機物(DOC)含量皆隨原水濁度升高而增加，

介於1.2~2.2 mg/L，原水鹼度約為 55~107 mg/L as CaCO₃。導電度約 在192~306 μS/cm 之間，顆粒表面界達電位約為-14~-19 mV，顆粒平 均粒徑約為1.9~2.7 μm。

表3-2 原水水質及顆粒物化特性

淨水場 新竹第二淨水場 豐原第二淨水場

採樣日期 99.7.19 99.7.27 99.6.12 99.7.6

pH

8.1 7.8 7.8 7.8 水溫 (℃) 27 27 25 26 濁度 (NTU) 20 150 200 15

DOC (mg/L)

1.2 1.5 2.2 1.3

鹼度 (mg/L as CaCO3

)

107 72 55 69 導電度 (μS/cm) 306 215 192 223 顆粒表面界達電位 (mV) -14.4 -18 -18.2 -15.3 顆粒平均粒徑

(μm)

2.1 2.5 2.7 1.9

3-4 混凝劑鋁型態分析

對象淨水場所使用之混凝劑皆為聚氯化鋁(PACl)，混凝劑送至實 驗室即進行混凝劑鋁型態分析，由於鋁在水中水解的過程複雜且形成 之物種繁多，雖有多種方法可分析其水解產物，但卻無法將各種水解 聚合型態檢測出來，本研究針對混凝劑鋁型態分佈，所採用之分析方 法為 Al-Ferron 逐時螯合比色法，其分析原理主要根據不同鋁水解物 種與Ferron 試劑螯合的速度不同而將鋁水解的型態分為三種：單體鋁 (Al_a)、聚合鋁(Al_b)及膠體鋁(Al_c)(Wang et al., 2004)。分析步驟如下所述：

(一) 試劑配製

試劑A【0.2%(m/v)Ferron 溶液】

在 1020 mL 煮沸過的去離子水中加入 0.2 g 的純 Ferron 試劑(7-碘-8 羥基喹啉-5-磺酸, Merck Inc., USA)，攪拌使其完全溶解後，以 0.45 μm 濾紙過濾收集，隨後置入 1 L 容量瓶中，並保存於 4℃冰箱中 備用。

試劑B【20%(m/v)醋酸溶液】

取50 g 無水醋酸鈉(Sodium Acetate)完全溶解於適量去離子水中，以 0.45 μm 濾紙過濾後，置於 250 mL 定量瓶中定量至刻度，隨後儲存 於250 mL 定量瓶中並冷藏於 4℃冰箱中備用。

試劑C【1 : 9 稀鹽酸溶液】

將100 mL 濃鹽酸溶於適量去離子水中，隨後置入 1 L 定量瓶中並加 水稀釋至刻度線。

Ferron 比色液

混合後，即得Ferron 比色液。配置好的比色液置入 4℃冰箱中冷藏，

經4~5 天熟化後方可使用，且 Ferron 比色液應在 1 個月內使用完畢。

(二) 檢量線製作

先配製濃度 10 mg/L as Al 之鋁標準液(濃度為 1000 ± 3 µg/mL, High-Purity)，準備 25 mL 離心瓶六個，各離心瓶中均加入 5 mL Ferron 比色液，然後依序加入0、1.35、2.7、4.05、5.4 及 6.75 mL 的鋁標準 液，加去離水稀釋至25 mL，配製出之鋁濃度分別為 0、0.02、0.04、

0.06、0.08 及 0.1 mmole/L，搖晃均勻後以分光光度計於波長 366 nm 處測定吸光度，製出之檢量線如附錄B 所示。

(三) 鋁型態測定

取5.5 mL 比色液(即 7-碘-8 羥基喹啉-5-磺酸及醋酸鈉溶之混合液)加 入25 mL 之比色管，此時將適量的鋁溶液樣品加入比色管中，即刻計 時並將比色管均勻混合，於1 min 後在 UV 分光光度計(U3010, Hitch) 上於366 nm 下逐時測定溶液的吸光度變化。利用比色法可以求出樣 品中的Al_a、Al_b及 Al_c型態含量。Al_a型態是以樣品溶液中 1 min 中內 與 Ferron 試劑反應的部分，其主要鋁型態為單體鋁；Al_b型態是指在 1 min 後至 120 min 之間，樣品溶液中的鋁與 Ferron 試劑反應的部分，

主要鋁型態為聚合鋁；Al_c型態是指在 120 min 內未與 Ferron 試劑反 應的部分，其鋁形態主要為氫氧化鋁溶膠或沉澱物。將樣品求得總鋁 濃度AlT 後扣除 Ala及Alb即得Alc。

對象淨水場所使用之混凝劑鋁型態分佈如表 3-3 所示。兩座淨水 場所使用之混凝劑鋁型態均以單體鋁為主，其Ala含量均在50%左右，

Alb含量約佔35%。

表3-3 PACl 混凝劑鋁型態分佈

混凝劑 Ala (%) Alb (%) Alc (%)

PACl-新竹水場 48 36 16

PACl-豐原水場 54 35 11

3-5 混凝試驗

實驗室混凝試驗主要以方形之瓶杯容器及平板式(flat)攪拌器(槳 葉長7.6 cm，寬 2.1 cm)作為試驗之器材，混凝程序之操作參數根據 各原水水樣之淨水場現場停留時間計算快混、慢混及沉澱時間，其中 快混G 值及 t 值也依照對象淨水場之現場操作參數。對象淨水場原水 瓶杯混凝操作參數彙整如表3-1 所示。在完成對象淨水場瓶杯混凝操 作參數調查後即開始進行試驗，首先，取2 升各淨水場原水倒入方形 瓶杯容器，在添加混凝劑前，須先利用瓶杯試驗機(PB900, Phipps &

Birds, USA)以 200 rpm 之轉速攪拌一分鐘，使水樣維持懸浮的狀態，

接著將轉速調至與實場快混 G 值對應之轉速，而平板式攪拌器之轉 速及其對應之快混 G 值則依據標準對應圖(圖 3-2)求得，隨後加入淨 水場實際使用之聚氯化鋁(PACl)混凝劑，於快混結束後以界達電位儀 (Zetasizer nano ZS, Malvern Inc., UK)分析顆粒表面界達電位並在混沉 結束後取液面下10 cm 之上澄液以濁度計(2100 P, Hach Inc.)量測濁 度，改變不同混凝劑量，重複上述實驗，藉此評估混凝劑量對顆粒去 穩定之影響，本研究主要以上澄液殘餘濁度作為混沉效率之判斷依 據，最適混凝劑量挑選原則如圖 3-3，使殘餘濁度驟降且穩定之劑量

件下之混凝機制。後續實驗將在最適加藥條件下，探討快混強度對膠 羽特性與後續沉澱及過濾效率之影響。

圖 3-2 方型槽體中平板式攪拌器之攪拌 G 值與轉速(rpm)之對應圖

圖3-3 最適混凝劑量挑選原則示意圖

決定出對象淨水場在不同原水濁度下之最適混凝劑量後，接著將 在最適加藥條件下改變不同快混 G 值，進行快混效能試驗，本研究 選定五個快混G 值，範圍界於 150~1000 s^-1之間，其中包含淨水場實 際快混操作 G 值。實驗中除了在快混階段改變快混 G 值外，其餘混 凝程序之操作參數皆與混凝試驗相同。試驗中同樣於混沉結束後取液 面下10 cm 之上澄液進行分析，分析項目包括濁度、DOC 及過濾性，

另外也利用小角度雷射光散射粒徑分析儀(Mastersizer 2000, Malvern, UK)即時連續偵測不同快混強度下之膠羽生長情形及分析其膠羽特 性(包含膠羽粒徑、膠羽強度及破碎膠羽回復率)，其中上澄液過濾性

Dosage (mg/L as Al)

0 2 4 6 8 10

R es id u al T u rb id ity ( N T U )

0 10 20 30 40 50

最適量：使殘餘濁度驟降且穩定之混凝劑量

3-6 過濾性試驗 取時間指標(Suction Time Index)作為評估過濾性的指標(Ives, 1978)。過濾 性試驗STI 值之計算如(1)式^(林，2008)：

3-7 膠羽特性分析

膠羽大小及強度會影響膠羽的特性如沉降性、脫水性及過濾性

(Lin et al., 2008)。膠羽特性試驗中使用小角度雷射光散射粒徑分析儀

(Mastersizer 2000, Malvern, UK)搭配瓶杯試驗於快混與慢混階段對混 凝膠羽粒徑及膠羽強度進行量測，試驗裝置如圖3-5 所示，試驗中以 蠕動幫浦為驅動力，水樣經軟管抽入儀器測量其顆粒粒徑，最後在流 回瓶杯中，水樣流量維持在20 ml/min。

膠羽強度試驗方法為當慢混階段結束，即膠羽生長達平衡後，分 別以四個攪拌強度(G 值分別為 100 s^-1、300 s^-1、500 s^-1及700 s^-1)進行 破碎，破碎至膠羽尺寸穩定並量測其粒徑大小d₅₀值。

膠羽的強度大小常以膠羽強度常數作為指標，本研究所採用之膠 羽強度常數(γ)計算如公式(2)所示(Jarvis et al., 2005)：

G C

d

log log

log ₅₀  (2)

d

50：質量中數等效直徑(µm)；C：膠羽強度係數(constant) ; γ：膠羽強 度常數；G：攪拌強度(s^-1)

利用所量測之 d50與 G 作圖，可求得膠羽強度常數(γ)值，γ 越小 代表膠羽強度越強。

另外，許多研究亦常用破碎因子(breakage factor)作為判斷膠羽強 度大小之指標，以及破碎後膠羽之回復係數(recovery factor)，以了解 各快混參數下生成之膠羽破碎後之再生長能力，膠羽破碎及再生長曲 線如圖3-6 所示，當膠羽生長達平衡後，以一固定攪拌強度進行破碎，

破碎結束後再回復至慢混階段之攪拌條件，使膠羽再度碰撞聚集。膠 羽破碎及回復係數之計算公式如下(Yukselen and Gregory, 2004):

Mixing tank

Peristaltic pump

Master 2000 (Malvern Inc., UK)

 

₁₀₀

3-8 實場快混及管柱快混效能試驗

現場快混操作效能評估試驗，主要以高速混凝設備(即管柱快混 設備)與實場之快混單元進行平行試驗，試驗中管柱快混設備之加藥 劑量與實驗期間現場實際添加之混凝劑量相同。實場快混及管柱快混 之混沉流程設計如圖3-7 所示，在完成兩種型式之快混後，分別將快 混後之水樣抽取至實驗室之瓶杯試驗設備，以進行後續之模擬慢混、

沉澱及過濾程序，比較兩者快混後之沉澱及過濾效率。管柱快混膠凝 沉澱程序是以小型的實驗室規格來設計處理水量(約 50 CMD ~ 100 CMD)，前端為快混管柱設備，用來進行快混；後端設置瓶杯試驗機，

以進行慢混及沉澱步驟。此裝置週邊設有兩個250 L 之桶槽，以儲備

以進行慢混及沉澱步驟。此裝置週邊設有兩個250 L 之桶槽，以儲備

在文檔中 快混強度對天然濁水混凝效能之影響 (頁 22-38)